化工答案第六章傳熱

1、第六章傳熱習(xí)題 熱傳導(dǎo) 6-1. 如圖所示，某工業(yè)爐的爐壁由耐火磚1= 1.3W/(m·K)、絕熱層2 = 0.18W/(m·K)及普通磚3= 0.93W/(m·K)三層組成。爐膛壁內(nèi)壁溫度1100，普通磚層厚12cm, 其外表面溫度為50。通過(guò)爐壁的熱損失為1200W/m2, 絕熱材料的耐熱溫度為900。求耐火磚層的最小厚度及此時(shí)絕熱層厚度。 設(shè)各層間接觸良好，接觸熱阻可以忽略。 解： 6-2. 如圖所示，為測(cè)量爐壁內(nèi)壁的溫度，在爐外壁及距外壁 1/3 厚度處設(shè)置熱電偶，測(cè)得 t2=300, t3 =50。求內(nèi)壁溫度 t1 。設(shè)爐壁由單層均質(zhì)材料組成。解： 6-

2、3. 某火爐通過(guò)金屬平壁傳熱使另一側(cè)的液體蒸發(fā)，單位面積的蒸發(fā)速率為0.048kg/（m2·s），與液體交界的金屬壁的溫度為110。時(shí)間久后，液體一側(cè)的壁面上形成一層2mm厚的污垢，污垢導(dǎo)熱系數(shù)=0.65W/(m·K)。 設(shè)垢層與液面交界處的溫度仍為110，且蒸發(fā)速率需維持不變，求與垢層交界處的金屬壁面的溫度。液體的汽化熱r=2000kJ/kg。 解： 6-4. 為減少熱損失，在外徑150mm的飽和蒸汽管道外復(fù)蓋保溫層。已知保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)=0.103+0.000198t(式中t為)，蒸汽管外壁溫度為 180，要求保溫層外壁溫度不超過(guò) 50,每米管道由于熱損失而造成蒸汽冷

3、凝的量控制在 1×10-4kg/(m·s)以下，問(wèn)保溫層厚度應(yīng)為多少？解：查180水蒸汽W/(m) *6-5. 如圖所示，用定態(tài)平壁導(dǎo)熱以測(cè)定材料的導(dǎo)熱系數(shù)。將待測(cè)材料制成厚、直徑120mm的圓形平板，置于冷、熱兩表面之間。熱側(cè)表面用電熱器維持表面溫度t1=200。冷側(cè)表面用水夾套冷卻，使表面溫度維持在t2 =80。電加熱器的功率為40.0W。 由于安裝不當(dāng)，待測(cè)材料的兩邊各有一層0.1mm的靜止氣2層氣= 0.030W/(m·K)，使測(cè)得的材料熱導(dǎo)率與真實(shí)值不同。不計(jì)熱損失，求測(cè)量的相對(duì)誤差，即(-)/ 。 解： *6-6. 通過(guò)中空球壁導(dǎo)熱的熱流量Q可寫(xiě)成形式

4、。 試證：(式中A1、A2 分別為球壁的內(nèi)、外表面積。) 解： 定態(tài)傳熱Q為恒值*6-7. 有一蒸汽管外徑25mm，管外包以?xún)蓪颖夭牧?，每層厚均?5mm。外層與內(nèi)層保溫材料的熱導(dǎo)率之比為，此時(shí)的熱損失為Q。今將內(nèi)、外兩層材料互換位置，且設(shè)管外壁與外層保溫層外表面的溫度均不變，則熱損失為Q。求Q/Q，說(shuō)明何種材料放在里層為好。解：互換前： 互換后：依據(jù)計(jì)算可知熱導(dǎo)率小的材料在里層熱損失小。 對(duì)流給熱 6-8. 在長(zhǎng)為3m，內(nèi)徑為53mm的管內(nèi)加熱苯溶液。苯的質(zhì)量流速為172kg/(s·m2)。苯在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下：=0.49mPa·s；=0.14W/(m·

5、;K)；Cp=1.8kJ/(kg·)。試求苯對(duì)管壁的給熱系數(shù)。解：加熱苯溶液，b=0.4 W/(m2·K)6-9. 在常壓下用列管換熱器將空氣由200冷卻至120，空氣以3kg/s的流量在管外殼體中平行于管束流動(dòng)。換熱器外殼的內(nèi)徑為260mm，內(nèi)有25×2.5mm鋼管38根。求空氣對(duì)管壁的給熱系數(shù)。解：空氣定性溫度為：，查常壓下160物性數(shù)據(jù)，=0.815 kg/m3；=2.45×10-5Pa·s；=3.637×10-2W/(m·K)；cp=1.017kJ/(kg·K)；Pr=0.682 kg/(s·m2

6、)空氣由200冷卻至120，b=0.3W/(m2·K)6-10. 油罐中裝有水平蒸汽管以加熱罐內(nèi)重油，重油的平均溫度tm=20，蒸汽管外壁溫度tw=120，管外徑為60mm。已知在定性溫度70下重油的物性數(shù)據(jù)如下：=900kg/m3；cp=1.88kJ/(kg·)；=0.174W/(m·)。運(yùn)動(dòng)粘度=2×10-3 m2 /s, =3×10-4 K-1。試問(wèn)蒸汽對(duì)重油的熱傳遞速率W/m2為多少?解：大容積自然對(duì)流：查表得：A=0.54；b=0.25 W/(m2·) W/m26-11. 室內(nèi)水平放置兩根表面溫度相同的蒸汽管，由于自然對(duì)流兩

7、管都向周?chē)諝馍⑹崃俊Ｒ阎蠊艿闹睆綖樾」苤睆降?0倍，小管的(Gr·Pr)=109。試問(wèn)兩管道單位時(shí)間、單位面積的熱損失比值為多少？解：大容積自然對(duì)流：兩管直徑不同，與特征尺寸管徑有關(guān)，依據(jù)大管和小管Gr·Pr查表：A=0.135；b=1/3 冷凝給熱 6-12. 飽和溫度為100的水蒸氣在長(zhǎng)3m、外徑為0.03m 的單根黃銅管表面上冷凝。銅管豎直放置，管外壁的溫度維持96，試求：（1）每小時(shí)冷凝的蒸汽量；（2）又若將管子水平放,冷凝的蒸汽量又為多少？ 解：（1）飽和溫度為100的水蒸氣，r=2258.4kJ/kg，定性溫度為98，查水：=960kg/m3；=0.290

8、mPa·s；=0.682W/(m·)。 W/(m2·K)，為層流。（2）將管子水平放置，特征尺寸為直徑。 W/(m2·K) 傳熱過(guò)程計(jì)算 6-18. 熱氣體在套管換熱器中用冷水冷卻，內(nèi)管為25×2.5mm鋼管，熱導(dǎo)率為45W/(m·K)。冷水在管內(nèi)湍流流動(dòng)，給熱系數(shù)1=2000W/(m2·K)。熱氣在環(huán)隙中湍流流動(dòng)，2 =50W/(m2·K)。不計(jì)垢層熱阻，試求：(1)管壁熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)；(2) 內(nèi)管中冷水流速提高一倍，總傳熱系數(shù)有何變化？(3)環(huán)隙中熱氣體流速提高一倍，總傳熱系數(shù)有何變化？解：(1) 以外表

9、面為基準(zhǔn)： m2·K/ W W/(m2·K) m2·K/ W管壁熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)：(2) 內(nèi)管中冷水流速提高一倍， W/(m2·K) W/(m2·K)總傳熱系數(shù)變化很小。(3)環(huán)隙中熱氣體流速提高一倍， W/(m2·K) W/(m2·K)總傳熱系數(shù)變化很大。提高K值，應(yīng)提高較小的值。6-19. 68×4mm的無(wú)縫鋼管，內(nèi)通過(guò)0.2MPa(表壓)的飽和蒸汽。管外包30mm厚的保溫層=0.080W/(m·K)，該管設(shè)置于溫度為 20的大氣中，已知管內(nèi)壁與蒸汽的給熱系數(shù)1=5000W/(m2·K)

10、，保溫層外表面與大氣的給熱系數(shù)2=10W/(m2·K)。求蒸汽流經(jīng)每米管長(zhǎng)的冷凝量及保溫層外表面的溫度。解：忽略管壁熱阻，以保溫層外表面為基準(zhǔn)： W /(m2·K) 查0.2MPa(表壓)的飽和蒸汽，溫度T=134，r=2168.3kJ/kgW/m 6-20. 外徑1.2m的球形貯罐內(nèi)放-196的液氮，罐外覆以=0.02W/(m·K)的絕熱材料以減少向大氣的冷量損失。保溫層外壁的溫度不低于28 ，以免露水凝結(jié)。大氣溫度為32，大氣與保溫層外壁的給熱系數(shù)為12 W/(m2·K)， 罐內(nèi)液氮對(duì)壁的給熱熱阻以及罐壁的熱阻均可忽略，計(jì)算絕熱材料應(yīng)有的厚度。 注：

11、球壁導(dǎo)熱公式參見(jiàn)題6。 解：，絕熱材料應(yīng)有的厚度。6-21. 用不同的水流速度對(duì)某列管式冷凝器作了兩次試驗(yàn)，第一次冷凝器是新的，第二次冷凝器已使用過(guò)一段時(shí)期之后。試驗(yàn)結(jié)果如表所示。試驗(yàn)次數(shù)第一次第二次流速 m/s1.02.01.0傳熱系數(shù) K W/(m2·)120018601100表中傳熱系數(shù)均以外表面為基準(zhǔn)。管子尺寸為28×2.5mm，熱導(dǎo)率為45W/(m ·)。水在管內(nèi)流動(dòng)是高度湍流，飽和蒸汽在管外冷凝。兩次實(shí)驗(yàn)條件相同。試求：(1)第一次試驗(yàn)中，管外給熱系數(shù)1，以及當(dāng)水速為2m/s時(shí)管內(nèi)給熱系數(shù)2；(2)試分析在相同的水流速下，兩次實(shí)驗(yàn)的傳熱系數(shù)數(shù)值不同的原

12、因，并得出定量計(jì)算的結(jié)果。解：(1) W/(m2·K) W/(m2·K) W/(m2·K)(2) m2·K/ W*6-22. 一內(nèi)徑為 0.34m 的空心球形鋼殼容器，其內(nèi)壁表面溫度為38，外壁外面用 100熱水加熱。鋼殼的熱導(dǎo)率為45W/(m·)，熱水對(duì)外壁的給熱系數(shù)=500 W/(m2·)，試計(jì)算鋼殼厚度是多少mm時(shí)傳熱速率達(dá)最大值？最大傳熱速率為多少？解：傳熱速率達(dá)最大時(shí)，R最小。對(duì)R求導(dǎo)數(shù)：取導(dǎo)數(shù) m W6-23. 某列管冷凝器內(nèi)流冷卻水，管外為有機(jī)蒸汽冷凝。在新使用時(shí)冷卻水的進(jìn)、出口溫度分別為20與30。使用一段時(shí)期后，在冷

13、卻水進(jìn)口溫度與流量相同的條件下，冷卻水出口溫度降為26。求此時(shí)的垢層熱阻。已知換熱器的傳熱面為16.5m2，有機(jī)蒸汽的冷凝溫度80，冷卻水流量為2.5kg/s。解：定性溫度：，cp1=4.179 kJ/(kg·) W/(m2·) W/(m2·) m2·/ W6-24. 某列管式加熱器由多根25×2.5mm的鋼管所組成，將苯由20加熱到55，苯在管中流動(dòng)，其流量為每小時(shí)15噸，流速為0.5m/s。加熱劑為 130的飽和水蒸汽，在管外冷凝。苯的比熱cp=1.76kJ/(kg·)，密度為858kg/m3。已知加熱器的傳熱系數(shù)為700 W/(

14、m2·)，試求此加熱器所需管數(shù)n及單管長(zhǎng)度l。 解：一根鋼管中流量： kg/ s m*6-25. 某氣體混合物(比熱及熱導(dǎo)率均未知)以90kg/h的流量流過(guò)套管換熱器的內(nèi)管，氣體的溫度由38被加熱到138。內(nèi)管內(nèi)徑為53mm，外管內(nèi)徑為78mm，壁厚均為2.5mm，管外為蒸汽冷凝使管內(nèi)壁溫度維持在150。已知混合氣體粘度為0.027mPa·s，其普朗特?cái)?shù)Pr=1，試求套管換熱器的管長(zhǎng)。 解： *6-26. 如圖所示，傳熱面相等的兩臺(tái)換熱器, 用冷水將油從138冷卻至 93，冷水進(jìn)入第一換熱器的流量為 2.5kg/s，溫度t1=25，出口t2=50。將此股水流中抽出 0.62

15、kg/s 水移作它用，余下的水進(jìn)入第二個(gè)換熱器，冷水出口t3=65。設(shè)兩個(gè)換熱器的傳熱系數(shù)均為450 W/(m2·)，油的比熱cp=2.1 kJ/(kg·)。求兩換熱器的傳熱面積，及油的流量。解：第一換熱器，定性溫度為37.5，cp21=4.174kJ/(kg·)第二個(gè)換熱器，定性溫度為57.5，cp22=4.177 kJ/(kg·) kg/s傳熱面相等 （1） （2）聯(lián)立（1）、（2），。 kg/s， kg/s 換熱器的傳熱面積 m2油的流量 kg/s*6-27. 用一單程列管換熱器以冷凝1.5kg/s 的有機(jī)蒸汽，蒸汽在管外冷凝的熱阻可以忽略，冷凝溫

16、度 60，汽化熱為395kJ/kg。管束有n根25×2.5mm的鋼管組成，管內(nèi)通入t1=25的河水作冷卻劑, 不計(jì)垢層及管壁熱阻, 試計(jì)算：(1)冷卻水用量(選擇冷水出口溫度)；(2)管數(shù)n與管長(zhǎng) L(水在管內(nèi)的流速可取1m/s左右)；(3)若保持上述計(jì)算所得的總管數(shù)不變，將上述換熱器制成雙管程投入使用，冷卻水流量及進(jìn)口溫度仍維持設(shè)計(jì)值，求操作時(shí)有機(jī)蒸汽的冷凝量。 解：(1) 定性溫度，30-50，cp2=4.174kJ/(kg·K)。t2 30333538404345qm2 kg/s28.3917.7414.2010.929.467.897.09(2) 冷水出口溫度取40

17、， kg/s ，定性溫度，=995.1kg/m3；=0.764mPa·s；=0.6131W/(m·K)。 W/(m2·K)(3) 雙管程，n=31/2=16，流量不變，流速增加一倍。W/(m2·K) kg/s 傳熱操作型計(jì)算 6-28. 某冷凝器傳熱面積為 20m2，用來(lái)冷凝 100的飽和水蒸汽。冷液進(jìn)口溫度為 40，流量 0.917kg/s，比熱為4000J/(kg·)。換熱器的傳熱系數(shù)K=125W/(m2·)，求水蒸汽冷凝量。 解：100的飽和水蒸汽，r=2258.4kJ/kg。 kg/s6-29. 有一套管換熱器，內(nèi)管為19&#

18、215;3mm，管長(zhǎng)為2m，管隙的油與管內(nèi)的水的流向相反。油的流量為270kg/h, 進(jìn)口溫度為100，水的流量為360kg/h，入口溫度為10。若忽略熱損失，且知以管外表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)K=374 W/(m2·)，油的比熱cp=1.88kJ/(kg·)，試求油和水的出口溫度分別為多少? 解：水的定性溫度取10，cp2=4.191kJ/(kg·) 水的定性溫度，cp2=4.188kJ/(kg·)，與10水的cp2=4.191kJ/(kg·)相差很小，計(jì)算有效。6-30. 某列管換熱器用110飽和蒸汽加熱甲苯，可使甲苯由30加熱至100。今甲

19、苯流量增加50%，試求： (1) 甲苯出口溫度；(2) 在不變動(dòng)設(shè)備條件下，采用何種措施以使甲苯出口溫度仍維持100？作定量計(jì)算。解：(1) (2) A. 提高飽和蒸汽的溫度（加壓）B. 提高飽和蒸汽冷凝量，增加50%。 *6-31. 某套管換熱器有傳熱面積0.4m2，油在內(nèi)管從75被冷卻至65。冷卻水在環(huán)隙中逆流流動(dòng)，從30加熱至 45，給熱系數(shù)2 =4000W/(m2 ·)。內(nèi)管直徑25mm，管壁較薄，熱阻可略去不計(jì)。求該換熱器能冷卻的最大油量。 已知油在平均溫度下的物性為=0.56W/(m·)；=1.8mPa·s；cp=2070J/(kg·)。 解

20、：*6-32. 今有一套管換熱器，冷、熱流體的進(jìn)口溫度分別為40和100。已知并流操作時(shí)冷流體出口溫度為60，熱流體為80。試問(wèn)逆流操作時(shí)熱流體、冷流體的出口溫度各為多少？設(shè)傳熱系數(shù)均為定值。 解：并流操作時(shí)： 逆流操作時(shí)： *6-33. 由A、B兩臺(tái)換熱器組成的換熱系統(tǒng)中，冷與熱流體的流向及流量等均如圖所示。已知：A、B兩臺(tái)換熱器的傳熱面積，傳熱系數(shù)均相等。冷流體流量等量分配。且T1=150，T2 =40；t1=30，t2 =90。試求：溫度T，ta、tb 的值分別為多少? 解： （1） （2） （3）聯(lián)立（1）（2）（3）， 換熱器 6-36. 今欲于下列各列管換熱器中，將某種溶液從20加熱到50。加熱劑進(jìn)口溫度為100，出口溫度為60。試求各種情況下的平均溫差。 (1) 單殼程，四管